工件浸入電鍍液的過程中電流輸入方式對鍍層性能的影響

王思醇，羅毅，楊瓊，張云飛

（貴州振華群英電器有限公司(國營第八九一廠)，貴州 貴陽 550018）

隨著信息化和工業(yè)自動化的深入推進(jìn)，企業(yè)小批量、多品種自動化生產(chǎn)的進(jìn)程不斷加快。相應(yīng)地，電鍍自動化生產(chǎn)難度加大。圖1示出了常見自動化生產(chǎn)中工件浸入電鍍液的方式。

圖1 自動化生產(chǎn)中常見的工件浸入電鍍液的方式Figure 1 Common methods for immersing workpiece into plating bath in automatic production

圖1a為傳送帶式，電鍍液由主槽用泵打入船槽，工件逐一排序懸掛在長L的船槽里電鍍。圖1b為行車吊掛式，將行車吊掛長度為l的掛具放入電鍍液中進(jìn)行電鍍。

由于鍍層性能的特殊要求，自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)的工件在焊接等不同工序的裝調(diào)中，總會隨機(jī)出現(xiàn)少量異?，F(xiàn)象，形成約3%的不良品，嚴(yán)重影響批次產(chǎn)品性能。圖2為常見不良品外觀。

圖2 常見的不良品外觀Figure 2 Appearances of common unqualified products

通過對生產(chǎn)中各工序的工件進(jìn)行編號和跟蹤，統(tǒng)計在裝調(diào)過程中記錄的不良品概率，發(fā)現(xiàn)70%以上的不良品來自于先浸入電鍍液的掛具或船槽長度1/3內(nèi)的工件。

通過檢測鍍層外觀和結(jié)合力均難于明辨不良品，周期性特種工藝驗證亦因抽樣原因不易發(fā)現(xiàn)異常。只有在焊接或裝調(diào)過程，又或是高低溫試驗后才能發(fā)現(xiàn)明顯的不良現(xiàn)象(特別是鍍銀層變色)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度和批次性產(chǎn)品的質(zhì)量保障。

針對這類問題，本文主要探討工件浸入電鍍液過程中電流輸入方式對鍍層性能的影響。

1 試驗

1.1 穩(wěn)流試驗

設(shè)定好電鍍工步的電源輸出電流后，工件浸入電鍍液前在掛具前端增加分流試件，以防大電流通過先浸入電鍍液的工件而導(dǎo)致其鍍層粗糙。對于傳送帶式，在傳送帶上增加掛夾，數(shù)量以船槽長度的掛載量為準(zhǔn)，確保電流穩(wěn)定后待鍍工件逐一浸入電鍍液進(jìn)行電鍍。對于吊掛式，在掛具上增加分流裝置，待完全浸入電鍍液且通過工件的電流穩(wěn)定后，取出分流裝置。如圖3所示，增加1個分流框。

圖3 分流示意圖Figure 3 Sketch of shunt

1.2 分段式輸入電流試驗

根據(jù)傳送帶的帶速或吊掛掛具的下降速率，以及工件表面積(施鍍面積)，設(shè)定不同時間段所需的電源輸出值，保證浸入電鍍液的工件表面通過的電流一致。

1.2.1 傳送帶式

設(shè)船槽長L，工件間距L0，帶速L*(單位：mm/min)，工件表面積AL，電流密度JL，穩(wěn)定電流I，則工件浸入電鍍液的分段電流計算如下：工件個數(shù)n=L/L0，經(jīng)過船槽的時間tL=L/L*，進(jìn)入船槽閘口的時間t*=nL*/L。單個工件需要的電流IL1=ALJL，則n個工件的分段輸入電流見表1。

表1 傳送帶式分段輸入電流Table 1 Stepwise current input during the immersion of workpiece by using conveyor

1.2.2 行車吊掛式

設(shè)掛具長度l，工件間距l(xiāng)0，浸入電鍍液速率l*(單位：mm/min)，單排掛具加工件表面積Al，電流密度Jl，穩(wěn)定電流I，則工件浸入電鍍液的分段電流計算如下：工件排數(shù)n=l/l0，掛具浸入的時間tl=l/l*，每排進(jìn)入電鍍液的時間t*=nl*/l。每排工件需要的電流Il1=AlJl，則n排工件的分段輸入電流見表2。

表2 行車吊掛式分段式輸入電流Table 2 Stepwise current input during the immersion of workpiece by using hanging crane

1.3 智能式輸入電流試驗

受到1.2節(jié)分段式輸入電流試驗的啟發(fā)，電流無限分段是以工件浸入所需時間無限短(船槽長度或掛具高度與帶速或掛具浸入速率相關(guān))為界點(diǎn)，電流分段越小，通過工件表面的電流越均勻，電流密度分布越均勻，電流對鍍層性能的影響就越小。電流、時間、長度、速率之間的關(guān)聯(lián)見式(1)和式(2)。

式中，I為電源輸出電流，J為電流密度規(guī)定值，dA為無限分割的單位面積，dl為無限分割的掛具長，v為帶速或掛具浸入速率，dt為無限小時間單元，l為船槽長或掛具長，A為施鍍面積(含掛夾具)。

由式(2)可知當(dāng)電流密度J固定時，表面積隨時間延長而達(dá)到恒定值。如圖4所示，表面積恒定不變。

圖4 施鍍面積逐漸累積至恒定值Figure 4 Increasing of the area to be plated to a constant gradually

1.3.1 傳送帶式

在傳送帶裝夾起始區(qū)域，按船槽長裝夾帶電浸入裝置或試樣和安培?小時記錄儀。當(dāng)n+ 1個工件浸入電鍍液時，其裝置自動轉(zhuǎn)換為工藝需要的恒定電流(穩(wěn)流)進(jìn)行電鍍，直至批次電鍍停止。新工件電鍍，二次帶電浸入裝置啟動。

1.3.2 行車吊掛式

行車吊掛安裝有帶電浸入裝置和安培?小時記錄儀。當(dāng)?shù)踯嚪胖脪炀吲c陰極接通，通過掛具的電流恒定不變。掛具裝掛不同的工件，則設(shè)置的電流不同，需重新設(shè)置。

2 結(jié)果與討論

2.1 采用穩(wěn)流對鍍層性能的影響

穩(wěn)流自動生產(chǎn)線試驗操作便捷，容易掌握。但多品種、小批量的自動化生產(chǎn)往往受鍍液穩(wěn)定性的影響。

2.1.1 二次污染

穩(wěn)定電流的試鍍樣品，重復(fù)進(jìn)行不同種類的電鍍，孔隙率高，二次污染物不易清洗干凈，有金屬雜質(zhì)積累、酸堿液帶入等問題，影響電鍍液的穩(wěn)定性。典型的是“鍍鎳→鍍銅→鍍銀→鍍金”、“鍍鎳→鍍金”、“鍍鎳→鍍銅→鍍銀”等工藝，加之不同基體材料的前處理工藝不同，從而影響平均電流，易造成鍍層粉化并脫落于電鍍液中，導(dǎo)致電鍍液被污染。

2.1.2 影響效率和鍍層性能

由于生產(chǎn)線裝夾不同類別工件的表面積存在差距，在電鍍完成1個品種后，往往需要重新調(diào)整電源輸出，才能裝夾另一個品種，因此生產(chǎn)效率低下，且維護(hù)電鍍液的勞動強(qiáng)度加大。特別是工藝流程差異明顯的，易出現(xiàn)調(diào)整混淆或錯誤，使得鍍層品質(zhì)不符合要求或出現(xiàn)異常(如圖5所示)。

圖5 鍍層外觀異常Figure 5 Abnormal appearance of coating

2.2 采用分段輸入電流對鍍層性能的影響

工件浸入電鍍液的過程中采用分段輸入電流時，基體材料表面的電化學(xué)勢與化學(xué)勢相當(dāng)，或者電化學(xué)勢高于化學(xué)勢，鍍層性能將得到明顯改善。但部分基體材料(如鐵合金)鍍鎳后再無氰堿性鍍金時，鎳在堿性條件下發(fā)生鈍化，使得鍍金層結(jié)合力下降，鍍層的熱蝕和焊接性能無法滿足產(chǎn)品需要。

不同工件的表面積不同，設(shè)置分段輸入的電流和時間就不同，而每次電鍍工件的數(shù)量很可能也不一致，使得設(shè)定分段輸入電流的難度大，不易掌握，對操作人員的要求高。

2.2.1 外觀不一致

由于浸入電鍍液的工件數(shù)量和表面積不同，分段電流輸入使得電流密度分布不均。根據(jù)塔菲爾經(jīng)驗公式[1]可知，陰極上工件的極化電位不同會導(dǎo)致鍍層結(jié)晶不一致，色澤存在差異。

2.2.2 影響生產(chǎn)效率和鍍層性能

采用分段輸入電流時，電源的設(shè)置容量大，即使相同類型的工件，如果表面積或裝夾位置不同，就必須重新設(shè)置分段輸入電流和電鍍時間，操作難度大，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。由于吊掛式行車浸入或傳送帶傳送的速率恒定，分段電流輸入的變化會影響鍍層結(jié)晶，導(dǎo)致鍍層結(jié)合力差，影響產(chǎn)品的裝調(diào)參數(shù)。

2.3 采用智能式輸入電流對鍍層性能的影響

智能輸入電流是從陰陽極回路接通開始，在一定時間內(nèi)掛具(或傳送帶)和工件完全浸入電鍍液，即L= ∑dl后自動輸入恒定電流(以固定的電流密度為基準(zhǔn))。與分段輸入電流相似，智能輸入電流只是通過降低電源輸出的調(diào)試和計算難度來提高生產(chǎn)效率，從而保障鍍層性能。

2.3.1 智能輸入電流不穩(wěn)定

由于智能輸出電流電源對控制元件穩(wěn)定性的要求高，在電鍍環(huán)境下，電源的輸出控制元件易受損，會出現(xiàn)智能輸出的電流波動大，因此電源的維修和維護(hù)成本高。

2.3.2 影響生產(chǎn)效率和鍍層性能

智能電源的維修往往需返回廠家，一般來回最少耗時1周，嚴(yán)重影響生產(chǎn)周期。一旦智能輸出電流出現(xiàn)波動，對于多批次、小批量的工件生產(chǎn)而言，鍍層性能往往無法得到保障，常常體現(xiàn)為外觀一致性差(見圖6)。

圖6 不同批次鍍層的外觀差別Figure 6 Different appearance of coatings electroplated in different batches

3 結(jié)語

工件浸入電鍍液時采用智能輸入電流方式可顯著降低不良品率和提高平均生產(chǎn)效率。智能輸入電流電源不宜放置在生產(chǎn)現(xiàn)場，否則易出現(xiàn)故障，必須隔離或遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場。但控制線路一長，又容易出現(xiàn)信號干擾，有待進(jìn)一步解決。另外，生產(chǎn)過程中需購置備用電源，如此一來便加大了生產(chǎn)成本。